Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические проблемы диагностики и мониторинга плазменных методов формирования микро- и наноструктур (введение) 18
1.1. Требования к плазменным технологиям при формировании субмикронных и Наноразмерных кремниевых структур 18
1.2. Плазмохимические реакторы для микроэлектроники 25
1.3. Механизмы взаимодействия химически активной плазмы с поверхностью Микроструктур 38
1.4. Физические принципы мониторинга плазменных микроэлектронных технологий 48
1.5. Постановка задач исследования (выводы по главе 1) 78
глава 2. Исследование параметров плотной плазмы в широкоапертурных реакторах микроэлектроники низкого давления и их оптимизация для технологических целей 80
2.1. Проблемы измерений параметров плазмы электроотрицательных газов ленгмюровским зондом в вч- и свч- реакторах 80
2.2. Сравнительные характеристики плотной плазмы реакторов низкого давления на базе свч эцр разряда и вч пленарного индуктивного разряда 89
2.3. Оптимизация латеральной однородности плазмы в новых широкоапертурных реакторах с источниками плотной плазмы (ипп) 102
2.4. Выводы по главе 2 113
Глава 3. Эмиссионная актинометрия активных радикалов плазмы как метод характеризации плазмохимических реакторов для микро- и наноэлектроники 114
3.1. Анализ условий достоверности эмиссионной актинометрии в реакторах с источниками плотной плазмы низкого давления 115
3.2. Исследование эффективности генерации химически активных радикалов в лотной плазме фторсодержащих газов эмиссионной актинометрией 119
3.3. Актинометрическое измерение газовой температуры нейтралов в плазмохимических реакторах спектроскопией умеренного разрешения 12
3.4. Выводы по главе 3 147
Глава 4. Разработка новых методов зондовои диагностики плазмы для мониторинга плазменного травления микроструктур 148
4.1. Разработка метода динамического легмюровского зонда для измерений в пленкообразующей плазме низкого давления 149
4.2. Исследование влияния термоэмиссионных эффектов при зондовых измерениях в плотной химически активной плазме низкого давления 158
4.3. Зондовый мониторинг плазмохимического травления многослойных микроэлектронных структур 167
4.4. Выводы по главе 4 184
Глава 5. Спектральная диагностика процессов плазменного травления и осаждения при формировании ис 185
5.1. Исследование in situ скорости плазмохимического травления слоев и селективности процесса на структурах кремний (поликремний) - si02
Актинометрическими методами 185
5.2. Улучшение чувствительности определения момента окончания процесса при малой площади окон травления применением синхронного спектрального детектирования 195
5.3. Анализ однородности скорости травления слоя по площади пластины по данным оптической эмиссионной актинометрии 206
5.4. Мониторинг плазмохимического осаждения тонких и ультратонких диэлектрических пленок спектральной эллипсометрией in situ 216
5.5. Выводы по главе 5 222
Глава 6. Томографическое исследование пространственной однородности плазмы в условиях предельно малого числа ракурсов 223
6.1. Задачи эмиссионной диагностики плазмы с пространственным разрешением в технологических реакторах 223
6.2. Разработка алгоритмов томографической реконструкции спектральных данных в Двухракурсной схеме сканирования 229
6.3. Экспериментальное исследование латеральной однородности плазмы Технологических реакторов спектрально разрешенной эмиссионной Томографией 242
6.4. Выводы по главе 6 251
Заключение (основные выводы) 252
Публикации автора по теме диссертации 255
Список цитируемой литературы
- Механизмы взаимодействия химически активной плазмы с поверхностью Микроструктур
- Сравнительные характеристики плотной плазмы реакторов низкого давления на базе свч эцр разряда и вч пленарного индуктивного разряда
- Исследование эффективности генерации химически активных радикалов в лотной плазме фторсодержащих газов эмиссионной актинометрией
- Исследование влияния термоэмиссионных эффектов при зондовых измерениях в плотной химически активной плазме низкого давления
Введение к работе
Актуальность темы
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что кремниевые МДП-транзисторы сохраняют свойства, необходимые для применения в КМОП -интегральных схемах (ИС), вплоть до значений длин канала 6-10 нм [1, 2] В 1999 году был преодолен рубеж топологических норм 100 нм Произошла естественная трансформация микроэлектроники в наноэлектронику, требующую применения прецизионных технологий
Известно [3], что минимальный размер (MP), обеспечиваемый литографией, превышает планируемую длину затвора транзистора почти вдвое (например, для MP 45 нм длина затвора составляет 20 нм) Создание интегральных схем на нанотранзисторах со столь малыми длинами каналов ужесточает требования не только к литографическим процессам, но и в значительной степени к процессам структурирования ультратонких пленок - анизотропному травлению наноструктур и конформному осаждению диэлектрических и проводящих слоев
Плазменные технологии, объем которых при изготовлении ИС высокой степени
интеграции достигает 50% от числа используемых технологических операций, не
имеют альтернатив в рамках существующих тенденций Процессы обработки
кремниевых микроструктур в низкотемпературной химически активной плазме
обеспечивают значительное снижение рабочих температур подложек при высоких
скоростях травления / осаждения / модификации ультратонких пленок
Структурирование пленок плазменными методами удовлетворяет жестким требованием к анизотропии и селективности процессов Плазменные микротехнологии внедрены или разрабатываются для
травления полупроводниковых, металлических и диэлектрических слоев,
осаждения изолирующих диэлектрических слоев,
осаждения тонкого подзатворного диэлектрика, и/или тонкого окисления поверхности кремния,
осаждения полупроводниковых слоев (например, поликремния),
конформного заполнения субмикронных канавок (тренчей) с последующей частичной планаризацией рельефа,
заполнения тренчей для боковой диэлектрической изоляции транзисторов,
очистки поверхности пластин от органических загрязнений,
очистки поверхности от загрязнений атомами металлов,
плазменно-иммерсионной имплантации ионов (ПИ3) примеси с целью создания
мелко залегающих р-n переходов суб-100 нм диапазона,
- высоковольтной ПИ3 кислорода или гелия для создания структур «кремний на изоляторе» с рекордно высокой скоростью набора необходимой дозы В ходе развития технологий микроэлектроники произошла смена как минимум трех поколений плазмохимических реакторов, использующих различные типы газового разряда для получения низкотемпературной химически активной плазмы В настоящее время активно развиваются широкоапертурные реакторы с источниками плотной плазмы (ИПП) низкого давления (high density plasma, HDP в англоязычной литературе), с независимым управлением плотностью ионов в плазме и их энергией в зоне обработки микроструктур Рабочие давления р - 0 1 - 50 мТорр в таких реакторах позволяют достичь высокой степени анизотропии процессов травления при переносе рисунка маски, а применяемые типы ВЧ- и СВЧ-разрядов в этом диапазоне давлений обеспечивают более эффективную генерацию плазмы, с большей плотностью ионов и химически активных частиц - радикалов (ХАЧ), чем в ранее используемых реакторах при р = 100 - 500 мТорр Соответственно возрастает скорость процессов травления структур и осаждения пленок при формировании ИС Важное свойство ИПП-реакторов - возможность оптимизации под заданную технологию Прогресс в этом направлении неразрывно связан с фундаментальными исследованиями в области физики низкотемпературной плазмы и газовых разрядов [4], плазмохимии [5], выполненных коллективами ведущих научных школ
Интегральные схемы наноэлектроники, содержащие слои, толщина которых порой соизмерима с постоянной кристаллической решетки, требуют контроля in situ процессов их изготовления Разработка и применение таких методов призваны обеспечить прецизионное травление структур и точный перенос суб-100 нм рисунка маски, контролируемое осаждение тонких пленок в диапазоне толщин от нескольких монослоев до долей микрона, стабильность технологии Для воспроизводимого формирования наноструктур плазменными технологиями уже недостаточно стабилизации внешних параметров процессов
Решение этой проблемы возможно при использовании встроенных средств контроля, использующих физические явления или эффекты, которые не вносят искажения в потоки частиц из плазмы на подложку Методы диагностики плазменных процессов должны быть невозмущающими, по отношению к технологии, и обладать достаточной чувствительностью Особенно жесткими являются требования к чувствительности методов контроля ш situ при травлении контактных отверстий в диэлектриках систем многослойной металлизации УБИС, где общая площадь окон травления часто не превосходит 1% площади пластины
Предпочтительны средства мониторинга, для реализации которых не требуется создания специальных тестовых структур на пластинах Кроме этого, средства мониторинга должны обеспечивать возможность как автоматической остановки процесса, так и (в перспективе) управления его параметрами, например, скоростью травления или осаждения В последнем случае in situ детекторы должны включаться в цепи обратной связи управления технологической установкой
Не менее важным является использование методов диагностики и на этапе разработки плазменных технологических процессов (process design) Так, формирование субмикронных и наноразмерных структур ИС с высокими аспектньши отношениями требует применения сильно ионизованной плазмы низкого давления, и, в то же время, вводит ограничения на температуру электронов плазмы (Ге) для снижения дефектов (формы и электрических), вызванных зарядкой диэлектриков в МОП-структурах в процессе обработки Диагностика технологической плазмы в условиях реактора позволяет проводить целенаправленную оптимизацию параметров процесса, достигая приемлемого компромисса и существенно сокращая сроки внедрения новых технологий
Актуальность экспериментальных исследований закономерностей, обусловленных взаимодействием низкотемпературной химически активной плазмы с поверхностью микроструктур на основе кремния, и создания на их основе методов диагностики in situ технологических процессов, является очевидной
Цель диссертационной работы
Целью настоящего исследования является разработка физических принципов невозмущающих методов контроля in situ плазмостимулированных технологических процессов формирования микро- и наноразмерных структур на основе комплексного исследования плазмы в современных ИПП-реакторах для микроэлектронных применений В ходе работы было необходимо решить следующие задачи
развить экспериментальные зондовые методы исследования химически активной плазмы электроотрицательных газов, в том числе для условий возможного осаждения на зонд диэлектрических пленок, для характеризации ИПП-реакторов и для мониторинга плазмохимического травления микроструктур,
разработать комплекс спектральных методов, обеспечивающих дизайн (process design) и мониторинг плазменных процессов травления микроэлектронных структур,
исследовать возможности метода оптической эмиссионной актинометрии плазмы для определения параметров процессов плазмохимического травления в реальном времени,
разработать методы контроля процессов плазмохимического осаждения пленок тонких диэлектриков с использованием спектральной эллипсометрии т situ,
развить метод эмиссионной оптической томографии плазмы для условий предельно малого числа ракурсов, доступных в технологических реакторах, для реконструкции 20-распределения химически активных радикалов в зоне обработки пластины
Научная новизна и достоверность полученных результатов
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем
Разработан новый комплексный подход к диагностике плазменных технологических процессов в микроэлектронике на этапах конструирования плазменного реактора, дизайна плазменной технологии, мониторинга технологического процесса in situ и для текущего контроля состояния камеры реактора Разработанные методы обеспечивают возможность включения средств диагностики в системы автоматизированного управления процессами
Разработан новый метод динамического зонда Ленгмюра для измерения параметров химически активной пленкообразующей плазмы низкого давления в технологических ИПП-реакторах микроэлектроники Впервые предложены способы определения момента окончания процесса травления микроструктур на основе зондового мониторинга параметров плазмы in situ
Исследованы параметры реагирующей плазмы ВЧ и СВЧ разрядов в газах BF3, SF^ CHF3, 02, Н2, Аг Параметры плазмы BF3 исследованы впервые Проведены сравнительные зондовые исследования плазмы с источниками на основе ВЧ- и СВЧ-разряда в единой геометрии камеры реактора, в результате которых осуществлен целенаправленный выбор типа реактора, адекватного требованиям технологии Доказана необходимость характеризации реакторов для микроэлектроники в плазме, непосредственно использующейся в технологическом процессе
Показано, что метод эмиссионной актинометрии химически активных радикалов плазмы позволяет оценить эффективность ИПП-реакторов для плазмохимических технологий микроэлектроники с различными типами и условиями разрядов
Разработаны физические основы актинометрического мониторинга процессов плазменного травления, установлены количественные соотношения между плотностью атомарного фтора в плазме и скоростями анизотропного травления слоев poly-Si, Si02 Впервые показано, что на основе данных актинометрических измерений in situ при плазменном травлении структур poly-Si/Si02/Si можно в
режиме реального времени управлять селективностью травления и контролировать однородность процесса по площади пластины
Предложена математическая модель, количественно связывающая динамику сигнала актинометрического мониторинга в момент окончания плазмохимического травления одного из слоев многослойной структуры и однородностью скорости его травления по площади пластины
Предложен новый высокочувствительный способ эмиссионного контроля момента окончания травления микроструктур при малой площади окон травления, основанный на выделении полезного сигнала момента окончания процесса из шумов эмиссии плазмы фазовым детектированием сигнала интенсивности спектральной линии ХАЧ плазмы на собственной частоте плазмообразущего генератора либо на частоте его модуляции
Развит метод эмиссионной томографии плазмы для предельно малого числа ракурсов и предложен алгоритм томографической реконструкции для измерения двумерного распределения химически активных радикалов в плазме Разработанный метод совместим с плазмохимическими реакторами микроэлектроники
Достоверность результатов исследований обеспечивается применением в работе фундаментальных физических теорий, использованием современных методов исследования, верификацией экспериментальных результатов независимыми методиками, соответствием экспериментальных данных построенным моделям
Положения, выносимые на защиту
Установлено, что СВЧ ЭЦР-реактор и ВЧ реактор с планарным индуктором (ВЧИ-реактор) генерируют сильно ионизованную (степень ионизации до 10"') плотную (n,~ 1012 см"3) плазму в диапазоне давлений 1-20 мТорр, существенно отличающуюся типом функций распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в ЭЦР-реакторе - бимаксвелловская ФРЭЭ, в ВЧИ-реакторе - близкая к распределению Максвелла Конкретный вид ФРЭЭ определяется как типом разряда, так и типом плазмообразующего газа, а также конкретными условиями разряда Плазма молекулярных фторсодержащих газов обладает более высокой электронной температурой {Te_eff = 3 6-6 7 эВ), чем плазма аргона (Teeff = 2 6-4 8 эВ) в идентичных условиях разряда Молекулярная плазма в ИПП-реакторах имеет повышенную газовую температуру 600-1300 К Адекватный выбор типа ИПП-реактора и режимов разряда способен повысить точность переноса топологии маски, минимизировать эффекты зарядки субмикронных и наноразмерных структур
Предложенный метод динамического зонда Ленгмюра обеспечивает корректные измерения параметров полимерообразующей плазмы низкого давления
Чередование режима ионной чистки и режима измерения точки ВАХ в микросекундном диапазоне длительностей импульсов зондового потенциала дает возможность предотвратить осаждение диэлектрических пленок на зонд в момент измерения, с одной стороны, и измерять ток в квазистационарном состоянии призондового слоя - с другой В этом случае применимы известные теории сбора ионного тока зондом
Мониторинг параметров плазмы методом зонда Ленгмюра в процессах плазмохимического травления эффективен для определения момента окончания травления слоев микроструктур в ИПП-реакторах Критерием выбора конкретного параметра для зондового мониторинга (ионная или электронная плотность, эффективная электронная температура, потенциал плазмы или плавающий потенциал) является значение относительного изменения этого параметра при достижении нижней границы удаляемого слоя и максимальное отношение сигнал/шум
Показано, что спектральный мониторинг объемной плотности химически активного атомарного фтора в плазме при плазмохимическом травлении микроэлектронных структур in situ позволяет определить (і) скорости травления слоев, (и) селективность травления и (ш) момент окончания процесса Анализ ex situ актинометрической кривой мониторинга дает количественную оценку неоднородности скорости травления по площади пластины
Эмиссионная 20-томография плазмы ИПП-реакторов может быть реализована с использованием двух ракурсов и веерного сканирования датчиков При этом в алгоритм реконструкции вводится априорная информация о функциональном виде (профиле) «элементарной» плазменной неоднородности, позволяющая значительно уменьшить артефакты реконструкции Общее поле реконструкции представляется суперпозицией невзаимодействующих «элементарных» неоднородностей
Практическая значимость работы
Предложенные диагностические методики воплощены в экспериментальных образцах автоматизированных компьютерных комплексов, предназначенных для контроля плазменных процессов в реакторах микроэлектроники Их применение в цепях обратной связи систем управления современными плазменными установками для микро- и наноэлектронных применений открывает новые возможности плазменных технологий
Проведенные исследования привели к созданию диагностических систем в виде - автоматизированного объединенного комплекса зондовой диагностики и быстрой эмиссионной спектроскопии плазмы (Приложение Ш),
- автоматизированного спектрального синхронного end-point детектора для процессов
плазмохимического травления при малой площади окон (Приложение П2),
- комплекса оптической эмиссионной томографии плазмы, адаптированного к
конструкциям плазменных реакторов микроэлектроники (Приложение ПЗ)
Они были испытаны в реальных технологических процессах на прототипах современных плазмохимических установок на базе ИПП-реакторов Способы и устройства мониторинга процессов плазмохимического травления микроэлектронных структур (технические решения) защищены двумя патентами Российской Федерации, которые базируются на результатах данной диссертационной работы Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Всероссийских конференциях «Микроэлектроника-94», 1994 г и «Микро- и наноэлектроника», Звенигород 1998, 2001 гг, XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2003 г, на международных конференциях "International Conference Micro- and Nanoelectronics", Zvenigorod, Russia, 2003, 2005, 2007, Международных симпозиумах по теоретической и прикладной плазмохимии, Иваново, Россия, 2003, 2005 гг, на международной конференции "International Vacuum Congress" (IVC-16), Venice, Italy, 2004, международном семинаре "International Workshop on Silicon Dry Processing", Aahen, Germany, 2006 и международном симпозиуме "Plasma Etch and Strip in Microelectronics", Leuven, Belgium, 2007
Публикации
Механизмы взаимодействия химически активной плазмы с поверхностью Микроструктур
Решение этой проблемы возможно при использовании встроенных средств контроля, использующих физические явления или эффекты, которые не вносят искажения в потоки частиц из плазмы на подложку. Методы диагностики плазменных процессов должны быть невозмущающими, по отношению к технологии, и обладать достаточной чувствительностью. Особенно жесткими являются требования к чувствительности методов контроля in situ при травлении контактных отверстий в диэлектриках систем многослойной металлизации УБИС, где общая площадь окон травления часто не превосходит 1% площади пластины.
Предпочтительны средства мониторинга, для реализации которых не требуется создания специальных тестовых структур на пластинах. Кроме этого, средства мониторинга должны обеспечивать возможность как автоматической остановки процесса, так и (в перспективе) управления его параметрами, например, скоростью травления или осаждения. В последнем случае in situ детекторы должны включаться в цепи обратной связи управления технологической установкой.
Не менее важным является использование методов диагностики и на этапе разработки плазменных технологических процессов (process design). Так, формирование субмикронных и наноразмерных структур ИС с высокими аспектными отношениями требует применения сильно ионизованной плазмы низкого давления, и, в то же время, вводит ограничения на температуру электронов плазмы для снижения дефектов (формы и электрических), вызванных зарядкой диэлектриков в МОП-структурах в процессе обработки. Диагностика технологической плазмы в условиях реактора позволяет проводить целенаправленную оптимизацию параметров процесса, достигая приемлемого компромисса и существенно сокращая сроки внедрения новых технологий.
Актуальность экспериментальных исследований закономерностей, обусловленных взаимодействием низкотемпературной химически активной плазмы с поверхностью микроструктур на основе кремния, и создания на их основе методов диагностики in situ технологических процессов, является очевидной.
Цель диссертационной работы Целью настоящего исследования является разработка физических принципов невозмущающих методов контроля in situ плазмостимулированных технологических процессов формирования микро- и наноразмерных структур на основе комплексного исследования плазмы в современных ИПП-реакторах для микроэлектронных применений.
В ходе работы было необходимо решить следующие задачи: развить экспериментальные зондовые методы исследования химически активной плазмы электроотрицательных газов, в том числе для условий возможного осаждения на зонд диэлектрических пленок, для характеризации ИПП-реакторов и для мониторинга плазмохимического травления микроструктур; разработать комплекс спектральных методов, обеспечивающих дизайн (process design) и мониторинг плазменных процессов травления микроэлектронных структур; исследовать возможности метода оптической эмиссионной актинометрии плазмы для определения параметров процессов плазмохимического травления в реальном времени; разработать методы контроля процессов плазмохимического осаждения пленок тонких диэлектриков с использованием спектральной эллипсометрии in situ; развить метод эмиссионной оптической томографии плазмы для условий предельно малого числа ракурсов, доступных в технологических реакторах, для реконструкции 2D-распределения химически активных радикалов в зоне обработки пластины. Научная новизна и достоверность полученных результатов Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: Разработан новый комплексный подход к диагностике плазменных технологических процессов в микроэлектронике на этапах конструирования плазменного реактора, дизайна плазменной технологии, мониторинга технологического процесса in situ и для текущего контроля состояния камеры реактора. Разработанные методы обеспечивают возможность включения средств диагностики в системы автоматизированного управления процессами.
Разработан новый метод динамического зонда Ленгмюра для измерения параметров химически активной пленкообразующей плазмы низкого давления в технологических ИПП-реакторах микроэлектроники. Впервые предложены способы определения момента окончания процесса травления микроструктур на основе зондового мониторинга параметров плазмы in situ.
Исследованы параметры реагирующей плазмы ВЧ и СВЧ разрядов в газах BF3, SF6, CHF3, О2, Н2, Аг. Параметры плазмы BF3 исследованы впервые. Проведены сравнительные зондовые исследования плазмы с источниками на основе ВЧ- и СВЧ-разряда в единой геометрии камеры реактора, в результате которых осуществлен целенаправленный выбор типа реактора, адекватного требованиям технологии. Доказана необходимость характеризации реакторов для микроэлектроники в плазме, непосредственно использующейся в технологическом процессе.
Показано, что метод эмиссионной актинометрии химически активных радикалов плазмы позволяет оценить эффективность ИПП-реакторов для плазмохимических технологий микроэлектроники с различными типами и условиями разрядов. Разработаны физические основы актинометрического мониторинга процессов плазменного травления, установлены количественные соотношения между плотностью атомарного фтора в плазме и скоростями анизотропного травления слоев poly-Si, Si02 Впервые показано, что на основе данных актинометрических измерений in situ при плазменном травлении структур poly-Si/Si02/Si можно в режиме реального времени управлять селективностью травления и контролировать однородность процесса по площади пластины.
Предложена математическая модель, количественно связывающая динамику сигнала актинометрического мониторинга в момент окончания плазмохимического травления одного из слоев многослойной структуры и однородностью скорости его травления по площади пластины.
Предложен новый высокочувствительный способ эмиссионного контроля момента окончания травления микроструктур при малой площади окон травления, основанный на выделении полезного сигнала момента окончания процесса из шумов эмиссии плазмы фазовым детектированием сигнала интенсивности спектральной линии ХАЧ плазмы на собственной частоте плазмообразущего генератора либо на частоте его модуляции.
Развит метод эмиссионной томографии плазмы для предельно малого числа ракурсов и предложен алгоритм томографической реконструкции для измерения двумерного распределения химически активных радикалов в плазме. Разработанный метод совместим с плазмохимическими реакторами микроэлектроники.
Достоверность результатов исследований обеспечивается применением в работе фундаментальных физических теорий, использованием современных методов исследования, верификацией экспериментальных результатов независимыми методиками, соответствием экспериментальных данных построенным моделям.
Сравнительные характеристики плотной плазмы реакторов низкого давления на базе свч эцр разряда и вч пленарного индуктивного разряда
В основе всех плазменных технологий микроэлектроники лежит использование электрических газовых разрядов пониженного (р = 50-500 мТорр) и низкого (р = 0.5 - 50 мТорр) давления в сложных молекулярных газах и их смесях с инертными газами. Физика разрядов постоянного тока, НЧ-, ВЧ-, СВЧ-разрядов [18 - 21] при таких давлениях обеспечивает генерацию низкотемпературной плазмы, в стационарных условиях находящуюся в состоянии, близком к локальному термодинамическому равновесию (ЛТР). В результате элементарных процессов между частицами в плазме - упругих и неупругих столкновений (возбуждения, ионизации атомов и молекул, диссоциации молекул, обменных реакций между нейтральными и заряженными частицами), каждое из которых обладает своим сечением, частотами и энергетической эффективностью, - в зоне разряда устанавливаются стационарные плотности всех компонентов.
В общем случае компоненты плазмы имеют достаточно близкое к больцмановскому распределение по энергиям для всех состояний, а ионизационный баланс удовлетворяет уравнениям Саха. Однако по отношению к электромагнитному излучению, генерируемому плазмой, как правило, равновесие не соблюдается, так как обычно а(Л) L (а(Х) - линейный коэффициент поглощения излучения, L - характерный размер, занимаемый плазмой). То есть, термодинамические и транспортные свойства плазмы соответствуют равновесным, за исключением поля излучения. Соотношение температур для электронов (Те) и более тяжелых частиц - ионов (Гг), нейтральных молекул или атомов (Tg) выглядит как: Те » Г, Tg., где Те - 1-10 эВ; Гг ,Tg 0.1 эВ. Именно этот факт дает возможность гетерогенным плазмостимулированным процессам на поверхности микроструктур оставаться низкотемпературными. Тем не менее, особенности функций распределения по энергиям электронов и ионов плазмы, и абсолютные значения этих энергий (температур) в различных типах разрядов существенно отличаются.
По мере эволюции интегральных структур ИС от микронных размеров к наноразмерным приборам, требовалась все более «мягкая» плазма с низкими энергиями ионов и небольшой электронной температурой и одновременно с повышенной степенью ионизации. Следует оговориться, что в данной работе мы не будем рассматривать магнетронные типы разрядов, магнетронные технологии, широко использующиеся для распыления мишеней (катодов) ионами плазмы высоких энергий, и последующим осаждением материала катода в виде пленки [6, 22].
Эволюция плазменных технологических реакторов для микроэлектроники достаточно подробно рассмотрена в обзорах [23 - 25] и монографической статье [26]. Реакторы с ВЧ симметричным и асимметричным емкостным типом разряда (ВЧЕ) (Рис. 4 а, б) являлись доминирующими достаточно долгое время. Разряд в газе возбуждается между параллельными электродами, связь с плазмой - емкостная, через ОПЗ приэлектродных областей, а для частоты возбуждающего поля (со) выполняется и электронов). Как правило, эти условия реализуются при частоте иояя/- 2- -100 МГц и давлениях р- 100 — 1000 мТорр, создавая в межэлектродном промежутке плазму плотностью пе, ПІ ;$ 1 10 см" . При этом ионы плазмы реагируют только на усреднённые по времени электромагнитные поля, т.к. copj « со, а движение электронов подчиняется мгновенным изменениям ЭМ поля, со2ре со2(\ + уЦа 2У/2 [20].
В дальнейшем для повышения производительности ВЧЕ-реакторов были разработаны варианты с использованием относительно слабого (50-200 Гс) поперечного магнитного поля (Рис. 46). Его применение позволило увеличить плотность плазмы при той же ВЧ-мощности, введенной в разряд, за счет эффективного ограничения движения высокоэнергетичных (ионизирующих газ) электронов в небольшом объеме вблизи пластины, и их дополнительного омического и стохастического нагрева при пониженных давлениях [6]. Вместе с тем, такое решение порождало дополнительные источники пространственной неоднородности плазмы из-за трудностей создания абсолютно однородного магнитного поля по сечению реактора. Для уменьшения влияния неоднородности плазмы на технологический процесс были предложены системы с вращающимся магнитным полем с частотой -0.5-5 Гц.
Конструктивные принципы ВЧЕ плазмохимических реакторов для микроэлектронной технологии: а) реактор симметричного типа (RJE - reactive ion etching) без использования магнитного поля; б) реактор с поперечным магнитным полем В, ориентированным параллельно пластине (MERJE -magnetically enhanced reactive ion etching)
Нельзя не отметить исключительно дальновидное решение, принятое на Gaseous Electronic Conference в 1988 году о создании единой конструкции исследовательского ВЧ-реактора емкостного типа для изучения механизмов плазмостимулированных реакций и отработки диагностических методов в идентичных условиях. С тех пор около 30 реакторов GEC (GEC reference cell) в лабораториях всего мира [27, 28] позволили проводить координированные эксперименты, выработать общие подходы к особенностям диагностики плазмы микроэлектронных реакторов, сравнивать и верифицировать результаты моделирования плазмы и реакторов у различных исследовательских групп. Отлаженный на таких реакторах комплекс диагностических методов позволил в короткие сроки оптимизировать для промышленного использования установки нового поколения.
ВЧЕ-реакторы удовлетворяли требованиям, выдвигаемым к плазмохимическим технологиям, пока законы масштабирования интегральных транзисторных структур не привели к минимальному топологическим нормам микроструктур менее 0.5 мкм. Причин, по которым произошла смена поколений реакторов, несколько: в планарных емкостных (НЧ-, ВЧ-,) плазмохимических реакторах поле, поддерживающее разряд, сосредоточено между электродами; там же (на высокопотенциальном электроде) размещена обрабатываемая пластина с микроструктурами. При этом принципиально невозможно вывести пластину из зоны генерации плазмы и сильных электромагнитных полей; результат - повреждение диэлектриков в интегральных структурах. принципиальная невозможность раздельного управления объемной плотностью плазмы и потоками (энергией) ионов, бомбардирующих пластину из-за эффекта автосмещения электрода [20] (в симметричном и асимметричном ВЧЕ разряде). Причина -устанавливающийся постоянный отрицательный потенциал смещения электрода V — k-\Va\ , где Va - амплитудное ВЧ напряжение разряда. В ВЧЕ - плазме пониженного давления разрядное напряжение Va 1000-2000 В при степени ионизации газа 10"3 приводит к потенциалу автосмещения Vac 400 - 900 В. Это задает соответствующие энергии положительных ионов, приводя к недопустимому уровню радиационных повреждений в субмикронных структурах. плотность положительных ионов, достигаемая в плазме емкостных реакторов, не превосходит 1-Ю10 - 1-Ю11 см"3 при максимальных рабочих значениях Еа/р (Еа -амплитудная напряженность поля), что накладывает ограничения на скорость ионно-стимулированных реакций (травления) и производительность технологии. - в ВЧЕ типе разряда эффективность частоты ионизации (VJ) резко падает с давлением [29]: vifi4E к (2Еа /7гВр) 2 ехр(-Вр/Еа), где В - константа, индивидуальная для каждого газа. В то же время, режим столкновений в слое ОПЗ у поверхности структуры определяет угловое рассеяние ионов от нормали к пластине и сильно влияет на анизотропию процесса [30]. Требования по точности переноса рисунка маски в травящийся слой для глубоко-субмикронных структур могут быть обеспечены только для бесстолкновительного слоя ОПЗ в плазме низкого давления, где емкостной режим разряда неэффективен.
Исследование эффективности генерации химически активных радикалов в лотной плазме фторсодержащих газов эмиссионной актинометрией
Как следует из экспериментов и оценок [209] для ВЧЕ-реакторов и подтверждается экспериментами [141] для ИПП-реактора, заполнение теплового зазора между пластиной и термостатируемым столом гелием при локальном давлении 10 Торр в зазоре позволяет эффективно отводить тепло, переносимое частицами плазмы к поверхности пластины. В [141] показано, что при оптимальном теплоотводе температура пластины линейно растет на 3.2 К на 100 Вт мощности, вложенной в разряд, в промышленном ICP-реакторе. Градиенты тепла по толщине пластины весьма малы из-за хорошей теплопроводности кремния, по сравнению с газовым зазором.
Следовательно, если термостат (охлаждаемый стол) поддерживается при Т— 300 К, то обмен энергией в ВЧЕ-реакторе между нейтралами и поверхностью пластины не слишком отклоняется от термодинамически равновесных условий (Tg 1.3 Tsurj), но в ИПП-реакторе случай сугубо неизотермический (Tg 3 Tsurf).
Влияние на температуру ионов и анизотропию ионного потока
В настоящей работе исследована температура нейтральных частиц плотной плазмы в ВЧИ (ІСР) реакторе. Однако, в их столкновениях с ионами, сечение которых для пары ион (1) -нейтрал (2) велико, особенно для поляризуемых молекул, темп обмена энергией пропорционален разности энергий иона и нейтрала [19]: d Є Є — Є (їН Л-ЇЇІ ) — = —! -,где т - —! - время релаксации (vm - частота столкновений) (3.9) dt т 2mym2 vm Время релаксации (выравнивания температур) при давлении р 10 мТорр имеет порядок т = (1 — 5)-10" с. С учетом того, что ПІ /ng (10" — 10") , газовая температура нейтралов является термостатом, к которому стремится (сверху) температура ионов. Таким образом, температура ионов в исследованном ВЧИ реакторе (оценка снизу) Т, 1300 К = 0.11 эВ, и в той же мере, что и газовая температура, выше, чем Tf в ВЧЕ реакторах. Такая оценка хорошо согласуется со значением температуры ионов для микроволновых ЭЦР реакторов низкого давления [21], где Г, 0.2 эВ.
В отсутствие столкновений для ионов в слое ОПЗ, сформированном заданным потенциалом смещения у пластины (заведомо выполняется для плотной плазмы низкого давления), угловую расходимость ионного потока на поверхность можно записать как [30]:
В бесстолкновительном слое (3.10) полностью определяет расходимость ионного потока. Для Vbtas - 50 В и Г, = 0.11 эВ значение 0t = 0.13 . Из проведенных исследований видно, что в небольших пределах величиной 6 , в ВЧИ (ІСР) реакторе можно управлять независимо от давления в рабочей камере: при Vbtas = 100 В и PRF = 400 Вт оценка по формуле (3.10) дает 6 г = 0.04. У нижней границы рабочих давлений ( 1 мТорр) процесс термализации ионов в HDP-реакторах замедляется из-за больших значений Aj.n 0.3 L (L- размеры плазмы), в этой области давлений можно ожидать отрыва температуры ионов Tt (2-4) Tg.
Несмотря на более низкую температуру ионов в ВЧ емкостном реакторе, давление 100-500 мТорр и меньшая плотность плазмы приводят к столкновениям ионов в слое ОПЗ и росту 0j. Ненулевая расходимость ионного потока при травлении глубоких канавок (тренчей) вызывает ионно-стимулированную реакцию травления на боковых стенках канавки — бочкообразное искажение формы вертикальной стенки, и апертурный эффект, выражающийся в замедлении вертикальной скорости травления с глубиной. Одна из моделей в [30], использующая исключительно ионный транспорт химически активных частиц при травлении канавок (плазма CF3Br, ионы CF3+, диссоциирующие на поверхности), показывает, что эти эффекты ярко выражены уже при 6 / 4 (ВЧЕ разряд). Таким образом, исследованный ВЧИ-реактор низкого давления имеет заметное преимущество перед емкостными реакторами. При современных требованиях к вертикальности стенок в глубоких тренчах структур DRAM (отклонение от вертикали 1, аспектное отношение 60, Глава 1) результаты, полученные в настоящей работе, открывают возможности оптимизации процесса травления в ИПП-реакторах достижением компромисса между производительностью процесса (мощностью разряда) и точностью геометрии структуры травления.
Влияние на протекание изотропных поверхностных реакций
Стационарное латеральное (радиальное) распределение газовой температуры в реакторе не может считаться плоским. Контакт газа с охлаждаемой стенкой реактора создает радиальный градиент температуры, пропорциональный (Tg - Twau), и, соответственно, радиальный градиент плотности (парциального давления). Латеральная неоднородность плотности нейтралов может достигать 40% (плазма Ог, р = 5 мТорр, PRF = 1-3 кВт, геликонный HDP-реактор) [212]. Такая неоднородность концентрации активных радикалов по сечению реактора способна существенно ухудшить однородность скорости травления по площади пластины. Поэтому, чем выше Tg плазмы, тем больше внимания требуется к оптимизации систем ввода плазмообразующего газа в камеру реактора.
Изотропный поток горячих нейтралов попадает на относительно холодную поверхность кремниевых микроструктур: Tg 3Tsurf, как было показано выше. Если они при этом еще химически активны (атомарный F ), то гетерогенная реакция будет происходить в существенно неизотермических условиях. В частности, кинетические выражения для скорости изотропного травления Si и SiC 2 (формулы (1.16), Глава 1) не будут верны, так как, по крайней мере, физика неизотермической адсорбции и активации поверхностных реакций отличны от равновесного случая.
Сколько-нибудь систематических исследований взаимодействия горячих нейтралов с поверхностью, представляющих интерес для микроэлектронных применений, нами не обнаружено; основная масса адсорбционных моделей и изученных гетерогенных реакций близки к изотермическим условиям [213], более широко представлена неравновесная (фотостимулированная) десорбция как метод исследования энергии связи адсорбатов на поверхности.
В отдельных исследованиях влиянию горячих химически активных нейтралов приписывались особенности дефектов формы тренчей, сформированных травлением кремния в ЭЦР-реакторах (плазма CF4 при давлениях -0.1 мТорр) [214], а в [215] горячие химически активные нейтралы в ICP-плазме привлекались для объяснения ускоренной диффузии фтора через адсорбированный слой CxFy при травлении Si02. Однако в этих работах предполагался баллистический транспорт нетермализованных (из зоны активной генерации плазмы) радикалов с поступательной температурой 2-3 эВ. В настоящей работе таких нейтралов не наблюдалось, спектральные исследования свидетельствуют об однотемпературной заселенности вращательных уровней N2. В исследованной плазме они «горячие» по отношению к температуре пластины.
Представляется, что основные отличия во взаимодействии горячих реагирующих радикалов с поверхностью, подвергаемой травлению, должны наблюдаться в коэффициенте прилипания, большой длине поверхностной диффузии, и, возможно, в снижении барьеров реакции травления, идущей на поверхности. Например, энергия атомарного фтора в плазме kTg 0.1 эВ сопоставима с энергией активации таких реакций для Si и Si02 в равновесных условиях (кинетические зависимости скорости (1.16), Глава 1), EaSi = 0.11 эВ, EaSl02 = 0.16 эВ.
Исследование влияния термоэмиссионных эффектов при зондовых измерениях в плотной химически активной плазме низкого давления
На начальном участке переходной области Np{t )ldt достигает максимума, после чего монотонно снижается, и резко падает до нуля в момент полного стравливания слоя poly-Si. Абсолютные значения производных заметно выше для процессов с минимальной неоднородностью скорости травления по радиусу пластины. Это касается и максимального значения этой величины, которую удобно использовать в качестве индикативного параметра. Функциональные зависимости максимума производной Np{t )/dt в переходной области приведены на Рис. 91.
Максимальное значение производной интегрального сигнала фтора (dNF/dt) в переходной области как функция параметра (Ь) - неоднородности скорости травления слоя поликремния по радиусу пластины: 1 - гауссова функция радиальной неоднородности скорости генерации фтора в плазме ф(г) ; 2 -линейная функция ф(г); 3 - параболическая функция ф(г).
Параметр М = max(dNF/df) оказывается весьма чувствителен к величине Ь в области малых его значений (ZKI.I), т.е при неоднородностях скоростей травления 10%, причем вид функциональной зависимости М(Ь) сохраняется для разных типов неоднородностей. В области средних и больших значений Ъ параметр М мало информативен. С другой стороны, в этой области информативен параметр dW, который в области малых значений Ь= 1.005 -МЛ изменяется не так сильно (Рис. 89).
Таким образом, параметры dW{b) и М(Ь), вытекающие из построенной модели, способны количественно предсказывать in situ неоднородность травления по площади пластины из экспериментальных данных актинометрического мониторинга технологического процесса.
Следует отметить, что при использовании параметра dW для определения неоднородности, вообще говоря, достаточно кривых интенсивности эмиссионного сигнала F , так как измеряемый параметр - временной интервал между установлением стационарных значений интенсивности ФР (А,=703.7 нм) от уровня, соответствующего травлению poly-Si, до уровня над слоем Si02. Но большие значения Ь, где эффективен этот метод контроля неоднородности, могут встретиться только при дизайне технологических процессов, а не при их контроле.
Соответствие с построенной моделью было проверено экспериментально, измерением неоднородности травления по площади при помощи эллипсометрических измерений ex situ (процесс останавливался в точке а, Рис. 77) . После этого спектральным мониторингом in situ при тех же параметрах в аналогичном процессе полностью прописывался участок а-Ь, Рис. 77. Результаты этих измерений показаны на Рис. 92.
Видно, что имеется достаточно хорошее согласие эксперимента с моделью травления, линейный характер и значения dW = f(b) близки к предсказываемым. Увеличенный разброс экспериментальных точек может быть вызван не вполне симметричным видом реальной неоднородности, что было отмечено при эллипсометрических измерениях.
Очевидно, более точный контроль в этом диапазоне значений Ъ можно осуществить, измеряя в реальном времени производную концентрации фтора от времени (Рис. 90). К сожалению, временное разрешение спектрометра в режиме in situ актинометрических измерений не превосходит 100 - 200 мс, что явно недостаточно для точных измерений производной dNf/dt в области «ступеньки». Для проверки модели необходима постановка метода, имеющего временное разрешение 10 - 20 мс при отношении сигнал/шум в измеряемой кривой Nf(t) лучше 20-30 dB.
Мониторинг плазмохимического осаждения тонких и ультратонких диэлектрических пленок спектральной эллипсометрией in situ
Спектральная эллипсометрия (СПЭ) - мощный исследовательский инструмент для изучения свойств поверхности и тонких пленок, достаточно давно использующаяся для изучения многослойных структур микроэлектроники и межоперационного контроля. В связи к переходом к наноразмерным структурам, в последнее время метод СПЭ все шире используется для контроля непосредственно в технологических процессах [234]. Задачей настоящей работы явилась методическая и инструментальная адаптация этого метода для in situ мониторинга процессов осаждения диэлектрических пленок плазмохимическими методами в HDP-реакторах.
Для этого был применен спектральный эллипсометр ЕМ-70, разработанный в ИРЭ РАН, и адаптированный к ростовой камере реактора плазмохимического осаждения на основе ВЧИ (ІСР) источника плазмы [А31]. Принцип действия спектрального эллипсометра ЕМ-70 основан на переключении состояния поляризации [235, 236], при этом на исследуемый образец попеременно направляется пучок полихроматического света с чередующейся последовательностью ортогонально поляризованных импульсов с азимутами линейной поляризации Р и Р+90 градусов. Отраженное от образца излучение с двумя состояниями поляризации в анализаторе попадает на монохроматор и линейку фотоприемников. Преобразованные спектры анализируются системой регистрации эллипсометрических параметров на основе персонального компьютера. Отсутствие движущихся поляризационных элементов в такой схеме позволяет улучшить достоверность, стабильность и точность измеряемых параметров.
Используемый опытный экземпляр имел спектральный диапазон 370 - 950 нм в 2-х поддиапазонах, 35 спектральных точек фотоприемной линейки на диапазон. Полное время измерения и обработки спектра 2 - 4 с, время измерения Ї и А в одной спектральной точке - 0.5 с. Источником зондирующего света, подаваемого по оптоволокну в поляризатор, могла быть галогенная или импульсная ксеноновая лампа. Воспроизводимость и стабильность при измерении эллипсометрических параметров F и А в диапазоне длин волн 370 - 950 нм не хуже 0,01. Разрешение по толщине измеряемых пленок - не хуже 0.1 нм.
Важно отметить, что оптимизация этого прибора позволила применить его в условиях вибрации при работе на камере плазмохимического реактора, в условиях автоматизированной смены обрабатываемых пластин без дополнительной юстировки плеч поляризатора и анализатора.
Программное обеспечение эллипсометра позволяет использовать многослойные (до 40 слоев) модели, в спектральном режиме работы - независимо рассчитывать их толщины и оптические константы. В режиме мониторинга на избранной длине волны осуществляется контроль процесса роста либо по траектории в координатах -Д (в том числе и отклонения от заданного состава пленки), либо измеряется толщина d растущей пленки в реальном времени (при постоянных значениях оптических констант).
При этом спектральный эллипсометр имеет преимущество на ростовой камере перед монохроматическими эллипсометрическими измерениями в том, что не требует изменения угла падения на образец для независимого расчета оптических констант и толщины пленки (как это производится в методе трех углов в эллипсометрии с использованием единственной длины волны). Вид спектрального эллипсометра для in situ измерений на камере реактора плазмостимулированного осаждения пленок (PECVD) с ВЧИ (ІСР) источником плазмы показан на Рис. 93.
